趙旭

摘要：云存儲：一種大數(shù)據(jù)時代下的產(chǎn)物，為海量數(shù)據(jù)提供了有效存儲和計算能力。隨著云存儲技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，在校園內(nèi)部部署云存儲成為各高校的一項建設(shè)任務(wù)。從實際需求出發(fā)，針對私有云的特點，從硬件規(guī)劃部署到軟件平臺開發(fā)層進行整體規(guī)劃，提供一個開放、安全、高效、穩(wěn)定和界面新穎美觀的數(shù)字化教學(xué)資源管理平臺。同時，對所涉及的相關(guān)應(yīng)用技術(shù)進行介紹和研究。

關(guān)鍵詞：云存儲；云內(nèi)部通信；雙機熱備；教學(xué)資源管理

中圖分類號：TP333 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）09-0032-03

1 緒論

近些年隨著云計算技術(shù)的興起，部分高校率先進行了云計算方面的建設(shè)嘗試，提出在云計算項目上將云主機部署、云操作桌面平臺開發(fā)以及云存儲架構(gòu)設(shè)計三種技術(shù)結(jié)合，力求解決學(xué)校在傳統(tǒng)的集中式管理與集中式存儲的資源組織模式下信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后、優(yōu)質(zhì)數(shù)字化資源短缺、服務(wù)器資源短缺等問題。

1.1 背景與意義

隨著高等院校教學(xué)信息化與數(shù)字化建設(shè)的完善與發(fā)展，高等院校的信息化與數(shù)字化建設(shè)一般以數(shù)字化的資源管理為主要目的，而信息化的服務(wù)保障為輔助手段，同時，由于數(shù)字化和信息化建設(shè)是需要不斷的管理與完善，其建設(shè)周期較為漫長，只有通過長時間的積累與沉淀，才能逐漸形成一個具有數(shù)據(jù)資源量大、內(nèi)容豐富的教學(xué)資源庫。

目前，高等院校數(shù)字化教學(xué)資源的種類與來源較為繁瑣與復(fù)雜，其資源文件類型包括文本、圖形圖像、動畫、聲音和視頻等類型；而資源內(nèi)容更為繁雜，有學(xué)生的學(xué)習(xí)資料和教師的教學(xué)資料，還有校管理和行政人員的辦公資料等，還涉及到社會所需要的一些公眾資源以及大量的圖書館藏書所轉(zhuǎn)換而成的數(shù)字化圖書資源等。如何能有效的將這些數(shù)字化教學(xué)資源收集、存儲、管理并應(yīng)用，實現(xiàn)教學(xué)資源的共享，提高精品課程、示范特色專業(yè)等優(yōu)秀教學(xué)成果的輻射作用，這是在學(xué)校內(nèi)部信息化建設(shè)中首要且又艱巨的任務(wù)。 因此，需要架設(shè)一個開放式共享、數(shù)字化教學(xué)資源管理清晰易用且安全等級高；同時，還能提高數(shù)字化教學(xué)資源的錄用量和使用率。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

云計算（Cloud Computing）作為一個全新的概念被明確提出，而云存儲則是在云計算發(fā)展的過程成中所必須解決的一個核心問題——存儲問題，可以說云存儲是在云計算的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。

云存儲技術(shù)得到飛速發(fā)展，目前在國外有一些較為成熟的云存儲產(chǎn)品為用戶開放，如： Dropbox作為一家創(chuàng)業(yè)公司，在2007年就開始提供網(wǎng)絡(luò)云存儲同步服務(wù)，到目前已經(jīng)有1.75億用戶；Google Drive是谷歌公司推出的一項在線云存儲服務(wù)，Google Drive目前的活躍用戶已經(jīng)達(dá)到了2.5億人；較為典型的還有：Amazon 公司的 Amazon Cloud Drive，提供廉價且大容量的存儲空間，還具備有很強的安全性及可靠性。

國外云存儲成功的同時也帶動了國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)公司對云存儲的關(guān)注以及建設(shè)，華為云服務(wù)作為中國網(wǎng)絡(luò)公司領(lǐng)路人，雄厚的資金實力和完備的硬件支持是其挺近云存儲領(lǐng)域的根本，在云存儲技術(shù)領(lǐng)域中華為具備先天優(yōu)勢；360云盤以“安全”和“免費”為核心，市場占有量不斷在提升；還有在國內(nèi)比較知名的百度云盤，百度雖然做云存儲時間較短，但是其憑借著強大的經(jīng)濟實力也在不斷的完善和改進。阿里云存儲服務(wù)對外提供的海量的云存儲服務(wù)。

但是，對于在高等院校在教育領(lǐng)域中運用云計算和云存儲的案例還非常有限，目前，國內(nèi)高等院校運用云計算和云存儲建設(shè)的項目中較為典型的案例：

（1）中國科技大學(xué)的“瀚海星云”校園云服務(wù)平臺：由4臺2路PC服務(wù)器和48TB存儲服務(wù)器組成，主要用于定制科學(xué)計算平臺和平行計算等。同時，也在逐步對校內(nèi)師生提供云存儲等相關(guān)服務(wù)。

（2）臺灣大學(xué)的臺大“筋斗云”：整個平臺由大型計算機和高級網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施組成，以 IBM BladerCenter服務(wù)器為基礎(chǔ)運作平臺，以普樺科技的容錯磁盤陣列產(chǎn)品為存儲服務(wù)節(jié)點，到目前為止項目已經(jīng)完成第一期的基礎(chǔ)環(huán)境建設(shè)與部署，后期會逐步對校內(nèi)師生提供桌面服務(wù)、存儲資源共享平臺等。

經(jīng)過調(diào)查和分析，高等院校在教育領(lǐng)域中運用云計算和云存儲的案例比較有限，相關(guān)文獻資料占據(jù)比例也比較少，說明教育領(lǐng)域運用云計算和云存儲還處于起步和探索階段。

1.3 研究的主要內(nèi)容

具體的研究工作主要有以下幾方面內(nèi)容：

（1）從云計算技術(shù)到云存儲架構(gòu)的領(lǐng)域入手，通過對國內(nèi)外關(guān)于云計算技術(shù)以及云存儲技術(shù)的相關(guān)文獻和書籍進行詳細(xì)的調(diào)查和研究，分析在國內(nèi)外高等院校中采用云存儲技術(shù)架設(shè)數(shù)字化教學(xué)資源管理平臺的應(yīng)用現(xiàn)狀和取得的成果；總結(jié)出云計算技術(shù)與云存儲系統(tǒng)的特性與特征，同時，還對課題所涉及到的一些相關(guān)技術(shù)進行研究。

（2）針對校園內(nèi)部用戶的實際需求，設(shè)計出了數(shù)字化教學(xué)資源平臺的主要功能模塊，為校內(nèi)用戶提供個人存儲、應(yīng)用和管理空間，同時，對群組共享和管理空間的權(quán)限功能進行設(shè)計和完善，使各功能間的邏輯更加合理。

（3）對校園內(nèi)部私有云存儲的架構(gòu)進行詳細(xì)的分析與設(shè)計，從技術(shù)上結(jié)合并利用云內(nèi)部通信簡單安全通信模型（SSCMIC）、雙機熱備全冗余技術(shù)等相關(guān)技術(shù)對云系統(tǒng)架構(gòu)進行改造，形成一種具有特色的云通信安全模型和級聯(lián)與備用雙向復(fù)制模式，解決資源管理平臺底層云存儲系統(tǒng)的可靠性、可擴展性以及并發(fā)性等架構(gòu)問題，從架構(gòu)的角度解決大規(guī)模數(shù)據(jù)的彈性存儲、海量多元數(shù)據(jù)的高效管理以及云存儲系統(tǒng)的安全等問題，提高云存儲系統(tǒng)的可靠性與安全性，建立一個高性能HDFS云存儲系統(tǒng)，為數(shù)字化教學(xué)資源管理平臺的基礎(chǔ)設(shè)施提供服務(wù)。

（4）結(jié)合PHP、jQuery、HTML5等技術(shù)開發(fā)和實現(xiàn)數(shù)字化教學(xué)資源管理平臺的界面操作系統(tǒng)桌面化，提供一個在網(wǎng)頁上實現(xiàn)類似操作系統(tǒng)桌面和資源管理器界面的數(shù)字化教學(xué)資源管理平臺的WEB門戶網(wǎng)站。endprint

2 相關(guān)理論及技術(shù)

2.1 云計算與云存儲

（1）云計算：一種大數(shù)據(jù)時代下的產(chǎn)物，為海量數(shù)據(jù)提供了有效存儲和計算能力。云的特征主要有超大規(guī)模、虛擬化、提高設(shè)備計算能力、高可靠性、減少設(shè)備依賴性、高可擴展性、彈性服務(wù)和極其廉價等特性?！霸啤本哂邢喈?dāng)?shù)囊?guī)模，理論上可無限延伸與擴展，這些設(shè)備可以是高級的服務(wù)器，也可以是廉價的計算機，甚至可以是性能早已經(jīng)過時被淘汰的計算機或服務(wù)器，當(dāng)這些大量的服務(wù)器、計算機等計算設(shè)備被集中在一個虛擬資源池中，用戶可以在不同時間和地點隨時隨地就可以接入云端。

（2）云存儲：是在云計算基礎(chǔ)上延伸和發(fā)展出來的分布式文件存儲系統(tǒng)， 云存儲某種角度上來說與云計算是有共性的，云存儲也具備“云”的超大規(guī)模、虛擬化、提高設(shè)備計算能力、高可靠性、減少設(shè)備依賴性、高可擴展性、彈性服務(wù)和極其廉價等特性；在規(guī)模劃分上也依然使用云計算相同的劃分方式；就連標(biāo)準(zhǔn)定義也和云計算一樣，到目前為止依然也沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)定義。有人認(rèn)為云存儲是云計算的一個分支，但云存儲與云計算依然還是有所差異的，云存儲的服務(wù)模式改變了云計算服務(wù)模式對各層的單獨定義，而是將PaaS、IaaS和IaaS融合成一個有機的整體，形成一種新型的服務(wù)模式。同時，云計算側(cè)重計算處理，而云存儲則側(cè)重存儲，某種角度上來說，云存儲的發(fā)展將更好的為云計算提供服務(wù)，云存儲幫助云計算解決了一個重要的核心問題——大容量資源存儲和處理的問題。

2.2 分布式文件系統(tǒng)

分布式文件系統(tǒng)是支撐云計算海量存儲環(huán)境的重要技術(shù)之一，分布式文件系統(tǒng)從20 世紀(jì)70 年代發(fā)展至今，其技術(shù)依然還在不斷被改進與完善。分布式文件系統(tǒng)通過協(xié)同多個節(jié)點消除單點故障和性能瓶頸，并在設(shè)計上滿足高可用、高性能、高負(fù)載等基本特性。

通過服務(wù)端搭建根目錄、分支節(jié)點等，客戶端依據(jù)約定的存取協(xié)議，獲取相對應(yīng)的操作權(quán)限，對相對應(yīng)的文件和目錄進行操作，其操作模式就像操作本地磁盤上文件和目錄一樣。

HDFS（Hadoop Distributed File System），是Hadoop的核心子項目，是整個Hadoop平臺數(shù)據(jù)存儲與訪問的基礎(chǔ)。

HDFS架構(gòu)采用主從模式，由名字節(jié)點（Namenode）和數(shù)據(jù)節(jié)點（Datanode）組成。名字節(jié)點為主點（Master），數(shù)據(jù)節(jié)點為從節(jié)點（Slave），在架構(gòu)上，名字節(jié)點是整個HDFS的核心，為了安全考慮通常名字節(jié)點有兩個，一個主名字節(jié)點和一個備用名字節(jié)點組成。而數(shù)據(jù)節(jié)點的規(guī)模理論上可無限擴展，并無特殊限制。

通過研究分布式文件云存儲系統(tǒng)，以全面整合校內(nèi)數(shù)字化建設(shè)中整合的多種應(yīng)用服務(wù)器與計算機上的軟件與硬件資源，實現(xiàn)各應(yīng)用服務(wù)器與計算機上的優(yōu)質(zhì)資源共享為目標(biāo)，將分布式文件系統(tǒng)儲存中的HDFS架構(gòu)進行修改，使其更適用于高等院校內(nèi)部云存儲資源管理平臺的建設(shè)，為確立云存儲架構(gòu)和數(shù)字化教學(xué)資源管理平臺的建設(shè)與實現(xiàn)提供可靠且完善的架構(gòu)設(shè)計思路。由于數(shù)字化教學(xué)資源平臺的建設(shè)需要考慮較為長期建設(shè)周期，因此，數(shù)字化教學(xué)資源管理平臺擬采用HDFS作為底層系統(tǒng)架構(gòu)。

2.3 云內(nèi)部簡單安全通信模型（SSCMIC）

云內(nèi)部通信簡單安全通信模型（SSCMIC）是一種簡單而又輕型云內(nèi)部通信安全協(xié)議，部署在中小型云存儲系統(tǒng)上，無需特殊硬件支持，只需要將云內(nèi)部通信協(xié)議分別安裝在云存儲內(nèi)部的元數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和服務(wù)/存儲節(jié)點上就能實現(xiàn)云存儲內(nèi)部的安全通信。目前，國內(nèi)外對云內(nèi)部通信安全問題的解決方案走入兩個極端化，大型云存儲系統(tǒng)對云內(nèi)部的通信安全一般十分重視，其中，安全協(xié)議種類也異常繁雜，安全協(xié)議內(nèi)部構(gòu)造也較為復(fù)雜；而中小型云存儲則一般直接忽略了云內(nèi)部通信安全，因為中小型云存儲的安全協(xié)議無法使用大型云存儲的安全協(xié)議，但重新開發(fā)一種輕型的安全協(xié)議又是一個很大的課題，所以，目前中小型云存儲內(nèi)部通信安全還較為薄弱。

通過研究云內(nèi)部簡單安全通信模型（SSCMIC），并將其應(yīng)用和部署在云存儲系統(tǒng)上的各個云存儲節(jié)點與云存儲應(yīng)用服務(wù)器上，并與數(shù)字證書認(rèn)證技術(shù)相結(jié)合，從而保護用戶敏感信息和其他數(shù)據(jù)，保障和提高數(shù)字化教學(xué)資源管理平臺的信息安全。

2.4 開發(fā)工具及語言

HTML5的本地存儲特性是讓基于HTML5開發(fā)的網(wǎng)頁APP擁有更短的啟動時間，更快的聯(lián)網(wǎng)速度。PHP（超文本預(yù)處理器）是一種通用開源腳本語言，源代碼完全公開，促進了PHP的快速發(fā)展。JQuery是繼Prototype之后又一個優(yōu)秀的JavaScript庫，jQuery也是開放源代碼并免費提供服務(wù)的， JQuery的語法設(shè)計可以使開發(fā)更加便捷。ExtJs開發(fā)工具最開始基于YUI技術(shù)，并為開發(fā)者屏蔽了大量跨瀏覽器方面的處理， 是一個前端AJAX框架并與后臺技術(shù)無關(guān)的開發(fā)工具軟件。

通過研究將HTML5、PHP、JQuery等技術(shù)并與ExtJs開發(fā)工具結(jié)合使用，利用這些技術(shù)使數(shù)字化教學(xué)資源管理平臺的界面實現(xiàn)操作系統(tǒng)化（類似Windows、Linux的桌面和資源管理器界面）成為可能。實現(xiàn)數(shù)字化教學(xué)資源管理平臺的各種操作（包括文檔的存儲，編輯，媒體播放等）能夠像操作系統(tǒng)一樣簡潔方便，打造一個簡潔且美觀的WEB操作平臺界面。

2.5 雙機熱備全冗余技術(shù)

受早期技術(shù)和理念的影響，還無法實現(xiàn)存儲的計劃性停機與非計劃性宕機帶來的服務(wù)器停機，后來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，特別是云計算和云存儲技術(shù)的發(fā)展，為了解決單服務(wù)器有計劃或非計劃停機的問題，提出了全冗余方式就是雙機雙存儲，存儲設(shè)備之間使用重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)，完成增量同步工作，就是雙機熱備全冗余技術(shù)。

通過研究雙機熱備全冗余技術(shù)，并對雙機熱備全冗余技術(shù)進行改造，形成一種新型的級聯(lián)與備用雙向復(fù)制技術(shù)，并在云存儲架構(gòu)底層利用級聯(lián)與備用雙向復(fù)制技術(shù)來解決HDFS架構(gòu)中的伸縮性差以及單點依賴等缺陷。利用首尾相連并成部分對等關(guān)系的多個數(shù)據(jù)服務(wù)器改變了集中式架構(gòu)中的單點依賴，克服了HDFS中當(dāng)數(shù)據(jù)服務(wù)器失效時，整個系統(tǒng)將陷入癱瘓狀態(tài)的情況。

本文的研究內(nèi)容在資源管理平臺設(shè)計與實現(xiàn)過程中屬于前期的準(zhǔn)備工作，后續(xù)還將對資源管理平臺進行系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)功能性設(shè)計、系統(tǒng)測試與總結(jié)等工作，最終實現(xiàn)對基于云存儲的數(shù)字化教學(xué)資源管理平臺的設(shè)計及部署。

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